薄壁鑄鋁箱體加工工藝研究

羅小宇 梁曉慧 趙文忠

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

高頻箱殼體是伺服系統(tǒng)控制天線系統(tǒng)的中樞。饋源、反射體、發(fā)射模塊及接收機等安裝在高頻箱殼體上。高頻箱殼體通過俯仰軸與天線座相連[1]。雷達(dá)通過伺服隨動系統(tǒng)驅(qū)動天線波束跟隨目標(biāo)運動。它的結(jié)構(gòu)為薄壁箱體，兩個側(cè)面開口，剛性差，易變形，外形尺寸為400 mm×400 mm×580 mm，壁厚尺寸為 6 mm。殼體兩側(cè)俯仰軸安裝孔的同軸度，與四喇叭饋源安裝孔之間垂直度要求較高，因此對加工設(shè)備的主軸、刀具與床面的平行精度要求很高，對機床本身的回轉(zhuǎn)精度要求也很高。由于該零件外形較大、壁厚偏薄、鑄鋁材料熱變形大且切削性能差，加工過程中易產(chǎn)生變形。防止變形的工藝分為粗加工和精加工，中間進行人工時效處理，以消除內(nèi)應(yīng)力。加工過程中要求裝夾位置和壓緊力必須合理、可行（為防止裝夾而引起的箱體變形，加工時不允許壓裝箱體頂部中間位置）。本文結(jié)合高頻箱的結(jié)構(gòu)特征，選擇合理的工藝路線安排、切削參數(shù)、加工基準(zhǔn)和裝夾方式，以保證該零件的加工精度。

1 零件結(jié)構(gòu)分析

1.1 重要尺寸分析

高頻箱主要由箱體、爪子和圓凸臺3部分組成，如圖1所示。其中，箱體左右側(cè)面兩孔2-Φ80H7+0.0350mm 與圓凸臺上孔Φ105+0.0350mm及爪子端面為重要安裝部位，共有5處重要尺寸（Z1～Z5）。它的尺寸精度直接影響產(chǎn)品的整體精度和性能指標(biāo)。

圖1 高頻箱結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

高頻箱左右側(cè)面兩孔2-Φ80H7中心組成公共基準(zhǔn)軸線B-C。5處重要尺寸為：圓凸臺上孔Φ105+0.0350mm 中心軸線與公共基準(zhǔn)軸線（B-C）垂直度要求不大于0.04（Z1）；左右側(cè)面兩孔2-Φ80H7中心與公共基準(zhǔn)軸線B-C同軸度要求不大于0.04（Z2、Z3）；左右側(cè)面兩孔2-Φ132H11端面與公共基準(zhǔn)軸線（B-C）垂直度度要求不大于0.04（Z4、Z5）。此外，圓凸臺端面與公共基準(zhǔn)軸線B-C平行度要求不大于0.04；四爪平面與圓凸臺端面平行度要求不大于0.04，且距離公共基準(zhǔn)軸線（B-C）尺寸精度為±0.1 mm；各重要加工部位粗糙度要求為1.6 μm。

1.2 加工工藝性分析

高頻箱零件為開口式薄壁箱體零件，毛坯尺寸較大，加工性能較差，加工過程中易產(chǎn)生應(yīng)力變形且很難控制。同時，該零件毛坯材料為ZL101A（S）T5，塑性較好，黏附性強、線膨脹系數(shù)較高（為鋼件的 2.4倍）、強度較低，加工后表面粗糙度質(zhì)量不高，且加工過程中容易產(chǎn)生變形[2]。

因此，如何利用工藝方法減少加工變形，提高加工表面質(zhì)量，保證重要尺寸精度是本文的研究重點。

2 零件加工工藝方案

2.1 粗加工和精加工的劃分

高頻箱的尺寸精度和表面要求較高，因此需要分別進行粗加工和精加工。粗加工主要是去除加工面多余金屬，使毛坯在形狀和尺寸上接近零件成品。精加工階段主要加工重要尺寸，消除粗加工中留下的誤差。該階段切除少量金屬層，獲得高的加工精度和表面質(zhì)量，保證重要尺寸精度和位置公差達(dá)到圖紙要求。重要尺寸粗加工后余量方面，端面為1 mm，孔徑為2 mm。

2.2 加工基準(zhǔn)的選擇

2.2.1 精加工基準(zhǔn)的選擇

選擇精基準(zhǔn)時，主要考慮如何利用精基準(zhǔn)盡可能一次裝夾完成所有重要尺寸的加工，保證設(shè)計技術(shù)要求的實現(xiàn)以及裝夾準(zhǔn)確、可靠、方便。加工應(yīng)選擇被加工表面的設(shè)計基準(zhǔn)為精基準(zhǔn)。高頻箱選擇前平面為定位精基準(zhǔn)。

2.2.2 加工原點的選擇

高頻箱圓凸臺上孔Φ105+0.0350mm中心軸線與左右側(cè)面兩孔2-Φ80H7中心軸線在水平方向一致，在另一方向垂直相交。該零件的加工原點設(shè)置在孔Φ105+0.0350mm中心軸線與左右側(cè)面兩孔2-Φ80H7中心軸線交點處。

2.3 精加工裝夾及找正方式的確定

2.3.1 精加工機床和裝夾方式選擇

高頻箱精加工時，選擇前平面為精基準(zhǔn)，即精加工時前平面向下貼緊工作臺面裝夾，3處重要部位由臥式鏜銑加工中心通過工作臺旋轉(zhuǎn)一次裝夾完成。

2.3.2 找正方法確定

（1）左側(cè)面Y、Z方向中心的確定。用百分表找正圓凸臺孔Φ105 mm中心，其中心X坐標(biāo)值a為順時針旋轉(zhuǎn)后左側(cè)面Z方向加工原點的值，Y坐標(biāo)值b與順時針旋轉(zhuǎn)后左側(cè)面Z方向加工原點的值相同，如圖2所示。

（2）左側(cè)面X、Y方向中心的確定。用百分表找正左側(cè)面孔Φ80 mm中心，測出其X方向中心坐標(biāo)值c，如圖2所示。

圖2 左側(cè)面孔中心找正示意圖（單位：mm）

（3）右側(cè)面X、Y、Z方向中心的確定。左側(cè)面加工完成后，工作臺旋轉(zhuǎn)180°加工右側(cè)面孔系和端面，其加工原點左邊取值為（-c，b，a）。

（4）圓凸臺Z方向中心的確定。右側(cè)面加工完成后，工作臺順時針旋轉(zhuǎn)90°進行圓凸臺孔系和端面加工，其Z方向中心坐標(biāo)值為-c。

2.4 加工工藝路線安排

工藝路線的主要內(nèi)容包括加工方法的選擇、加工階段的劃分、工序的劃分、機加工順序的安排、熱處理工序的安排以及其他輔助工序的安排等。高頻箱加工工藝路線安排如圖3所示。

圖3 高頻箱加工工藝流程圖

3 重要尺寸保證措施

3.1 減少變形措施

3.1.1 熱處理工序的安排

高頻箱為靠口薄壁箱體式結(jié)構(gòu)零件，加工過程中易產(chǎn)生大量應(yīng)力而引起零件變形，所以在加工過程中需要安排熱處理工序以消除應(yīng)力。

在高頻箱零件的機械加工過程中，在粗加工后進行人工時效熱處理，爐溫設(shè)定溫度為120 ℃±5 ℃，保溫6 h。

3.1.2 加工基準(zhǔn)的精加工

為消除粗加工和熱處理后前平面的變形，需對精基準(zhǔn)（前平面）進行精加工，使其平面度要求不大于0.1°，以保證后續(xù)重要尺寸的加工精度。同時，為避免前平面精加工時由于加工余量較大再次導(dǎo)致引力變形，且前平面位置尺寸要求較低（自由公差），前平面精加工余量留0.15 mm即可。

3.2 精加工切削方式及刀具的選擇

高頻箱重要部位加工精度和表面粗糙度要求較高，因此重要孔系和端面選擇鏜削精加工。鏜削加工可以獲得高精度和高表面質(zhì)量，孔精度可達(dá)到IT6～IT7，表面粗糙度可達(dá)到0.8～1.6 μm[3]。

高頻箱精加工時若存在切削力低且有振動問題時，選擇單刃鏜刀為切削刀具。單刃鏜刀能實現(xiàn)小公差、精確的圓度和理想的表面質(zhì)量。同時，單刃鏜刀可以校正原有孔線的偏斜或位置誤差，且刃磨便利[4]。隨著切削速度的增加，殘余應(yīng)力有向拉應(yīng)力方向增大的趨勢。當(dāng)切削深度較大時，隨著切削深度的增加，殘余應(yīng)力有向殘余拉應(yīng)力增大的趨勢。當(dāng)切削深度較小時，此趨勢不明顯。厚度不均勻的弱剛度結(jié)構(gòu)件，在切削過程中將切削工步變?yōu)榈群穸惹邢鳎梢援a(chǎn)生分布較為均勻的殘余應(yīng)力，但對于殘余應(yīng)力的大小影響并不明顯[5]。因此，要完全消除加工過程中使零件產(chǎn)生變形的內(nèi)應(yīng)力是不可能的，只能改變切削參數(shù)的合理搭配，使工件所留的殘余應(yīng)力盡可能小且使其分布盡可能均勻，是保持零件尺寸精度穩(wěn)定性的有效手段。

3.3 進給量的選擇

為提高表面粗糙度，進給量不超過刀尖半徑的30%。精鏜選擇刀尖半徑為0.2 mm的刀片，因此進給量不大于0.06 mm·r-1。精鏜時，進給量取值為0.05 mm·r-1。

3.4 精加工工步順序安排

高頻箱各重要尺寸之間相互關(guān)聯(lián)。在精加工工序中，各部位的加工順序直接影響重要尺寸，特別是形位公差的精度。為保證各尺寸精度和形位公差的要求，該工序中工步安排順序如圖4所示。

圖4 精加工工序工步順序安排示意圖

通過各種重要尺寸保證措施完成了高頻箱零件的機械加工，結(jié)果顯示各項重要尺寸檢驗均達(dá)到了圖紙要求。

4 結(jié)語

通過分析高頻箱結(jié)構(gòu)和重要尺寸特征，選擇合適的加工基準(zhǔn)，精裝夾找正方式，精加工基準(zhǔn)，確定精加工裝夾及找正方式和粗精加工的劃分，最終制定了合理可行的加工工藝方案。通過增加減少變形措施，選擇合適的精加工切削方式及刀具，設(shè)置合適的切削參數(shù)，安排精加工工步順序，保證了重要尺寸的精度及要求，并最終根據(jù)工藝方案和重要尺寸的保證措施加工生產(chǎn)了合格的高頻箱零件，可為薄壁鑄鋁箱體零件的加工提供參考。